Аддитивные технологии

Аддитивные технологии

Аддитивное производство

Аддитивное производство (АП) — группа технологических методов производства изделий и прототипов, основанная на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки.

В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей, основанные не на удалении материала как традиционные технологии механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР , за счет добавления материала в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом. Группа этих технологий на западе получила название — аддитивное производство (Additive Manufacturing, англ.). За три десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых прототипов к непосредственному получению готовых функциональных изделий. К настоящему времени технология позволяет получать металлические и неметаллические прототипы и функциональные изделия, которые не требуют механической пост-обработки .

Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. Современный рынок аддитивного производства составляет порядка 1,300 млн долларов, включая производство специального оборудования и оказание услуг, в соотношении ориентировочно 1/1. Доля России среди стран активно развивающих и применяющих технологии аддитивного производства составляет примерно 1,2 % (США — 39,1 %, Япония — 12,2 %, Германия — 8,0 %, Китай — 7,7 %), и показывает устойчивый рост.

Среди применений технологии аддитивного производства, наиболее востребованным представляется производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, то есть там где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.

Технология селективного лазерного плавления (СЛП, SLM) является технологией послойного аддитивного производства с использованием лазера . На сегодня метод СЛП является наиболее быстро развивающейся технологией среди методов аддитивного производства. Однако остро стоит проблема производительности технологии, ограничивающая её дальнейшее широкое распространение для нужд современной индустрии ]. Высокая востребованность технологии обусловлена достижимым качеством изготовления конечного изделия: требуемыми шероховатостью, точность исполнительных размеров ответственных элементов изделия, минимальной толщиной изготовления конструкторско-технологических элементов формы изделия, которые могут быть гарантированы малым радиусом лазерного пятна (до 20 мкм).

Свойства геотекстиля

Для того чтобы использовать геотекстиль по тому или иному назначению необходимо знать его свойства, из чего он состоит, а так же разновидности материала. Основное назначение геотекстиля ‒ это гидроизоляция различных конструкций от грунта и защита от находящихся в земле острых камней и других предметов.

Самым важным показателем геотекстиля является его плотность, которая выражается в г/м². И если этот показатель проигнорировать можно подвести к риску существования строительной конструкции, где используется материал.

Про способу производства геотекстиль делится на три вида:

  • Иглопробивной.
  • Термоскрепленное полотно.
  • Вязально-прошивной.

Иглопробивной ‒ изготавливается из полиэфирного материала, основу которого пробивают иголками. В результате получается очень прочный материал хорошо пропускающий воду.

Термоскрепленное полотно отличается от других видов своей высокой прочностью, однако слаба пропускает воду. Поэтому его применяют для сооружения тратуарных дорожек.

Но все же самым прочным является вязально-прошивной геотекстиль, получаемый путем скрепления волокон вязанием, но в случае обрыва одной из нитей может разрушиться все полотно.

В качестве примера приведем характеристики и основные функции Дорнита, как одного из разновидностей геотекстиля.

Свойства и характеристики Дорнита:

  • Упругость и теплопроводность.
  • Экологичность.
  • Устойчивость к агрессивным веществам и солнечным лучам.
  • Не гниет, не является средой для образования грибков и плесени.
  • Способность качественно фильтровать воду.
  • Эластичен.
  • Выдерживает механические нагрузки.
  • Плотность и однородность материала.
  • Не горит.
  • Выдерживает резкое изменение температур.
  • Прочность и долговечность.

Функции Дорнита:

  • Служит для укрепления конструкций.
  • Функция дренажа.
  • Хорошо пропускает воду, задерживая мелкие фрагменты почвы.
  • Используется для теплоизоляции помещений.
  • Разделительная функция.

В принципе, основные функции Дорнита вытекают и дополняют его свойства, что дает возможность получить представление о материале геотекстиле как такового. Поэтому далее приведем примеры, где применяется геотекстиль наиболее часто.

Дорожки в саду

Дорожки в саду будут сохранять свой целостный вид, если при их сооружении использовать геотекстиль. В противном случае дорожки будут проседать, проваливаться, образовывать трещины, сквозь которых прорастет трава. Геотекстиль укладывается на дно канавы под дорожку так же как и при сооружении фундамента.

Приведенные выше примеры о том, где применяется геотекстиль, касаются в основном участков на придомовых территориях и дачах. В промышленных масштабах материал применяется при строительстве дорог, взлетных полос аэродрома, для укрепления берегов водоемов и рек, а так же при строительстве стадионов. Одним словом там, где требуется сооружение дренажных систем.

Оборудование для 3D печати изменило представление о прототипировании и серийном производстве. Аддитивные технологии нашли своё применение в автомобилестроении, авиационной промышленности, изготовлении бытовой техники, одежды и даже выращивании искусственных органов. Сфера строительства не стала исключением – 3D принтеры успешно применяются в процессе возведения малоэтажных зданий.

Индустрия развивалась скачкообразно. Ни фотополимеризация, ни лазерное спекание, ни электронно-лучевая плавка не смогли доказать свою эффективность в области строительства. Но в 2014 году случился прорыв – частные компании, базирующиеся в США и Китае, почти одновременно начали работу над созданием оборудования, объединяющего в себе преимущества экструзии и метода многоструйного моделирования – так появились 3D принтеры для печати бетоном.

Первые образцы использовались для создания малогабаритных архитектурных форм. Современная техника строит жилые дома. Говорить о печати перекрытий в воздухе пока не приходится, а этажность зданий зависит от габаритов машины, – тем не менее, построить жилой дом с межкомнатными перегородками, дверными и оконными проемами, разводкой под прокладку инженерных коммуникаций можно за 24 часа!

Как используются машины для печати бетоном

В ОАЭ строится город, предназначенный для тренировки космонавтов в условиях, приближенных к реальности. Перед тем, как будущие колонизаторы отправятся осваивать Марс, им предстоит построить колонию на Земле. Проект называется Mars Science City. Стены хозяйственных построек возведут из песка с помощью 3D принтера.

Тем временем, NASA совместно с армией США и компанией Caterpillar работают над технологией быстрого возведения экспедиционных конструкций из подготовленной смеси и случайных подручных материалов для строительства казарм, баррикад, барьеров, мостов, заградительных препятствий, барьеров.

В Амстердаме (Нидерланды) установили первый в мире железобетонный мост, сделанный с помощью объемной печати. Мост длиной 8 метров состоит из 800 слоев армированного бетона, способен выдержать вес 40 большегрузов.

Аналогичный проект воплотили в жизнь в Испании. Мост сделан из железобетона. Длина конструкции – 12 метров. Инженеры работали над проектом 15 лет.

В Голландии также напечатали оригинальные зоны отдыха для обустройства общественного пространства. Проект получил название Urban Cabin. «Кабины» сделаны из биопластика.

Apis Corp. напечатали жилой дом за 24 часа. Площадь жилья – 38 метров2. Стоимость строительных работ составила чуть больше десяти тысяч долларов.

HuaShang Tengda за 45 дней напечатали особняк, площадью 400 квадратных метров. На производство несущих конструкций было затрачено 20 тонн бетона C30, из которого сделали несъемную опалубку толщиной 250 мм. Сейсмические испытания доказали, что здание способно выдержать землетрясение силой восемь баллов по шкале Рихтера.

WinSun не отстает от конкурентов. Жилой комплекс площадью 1100 квадратных метров:

Аддитивные технологии для медицины

2016 год станет переломным для аддитивных технологий в медицинской сфере?

3dtoday по материалам Medical Plastics News: Why is 2016 the year for additive manufacturing in the medical sector?

За последние годы аддитивные технологии стали одними из самых востребованных в мире. Удивительно, но им удалось затронуть буквально все сферы нашей жизни и изменить жизни миллионов людей.

Аддитивное производство – процесс соединения материалов и выращивания объектов по 3D-модели, как правило, слой за слоем. Зачастую его рассвет соотносят с индустриальным производством, в то время как свой «бум» оно пережило в эпоху развития цифровых технологий.

В прошлом году аддитивное производство начало набирать обороты в медицинской сфере. Отчасти это связано с открытиями, совершенными в последние годы, крупными инвестициями и появлением новых передовых технологий.

Как показано на рисунке, индустрия аддитивного производства уверенно идет вверх. Начиная с 2009 года, ее ежегодный прирост составляет 25%. К концу этого года ее объем превысит 5 миллиардов долларов. Однако в этом заслуга не только промышленного сектора.

Львиная доля этого роста приходится на медицинский и стоматологический рынки. Причина ясна: с появлением аддитивного производства врачи и хирурги получили в свое распоряжение уникальное 3D-печатное оборудование и смогли значительно расширить ассортимент своих услуг.

Успехи аддитивных технологий в 2015 году

В прошлом году аддитивные технологии пережили рассвет в разных отраслях медицины. Ее главная заслуга заключается в массовой индивидуализации, например, в возможности изготовления хирургических имплантатов по параметрам пациента. Впервые в истории хирурги научились изготавливать такие имплантаты, которые встают как влитые и почти не причиняют пациенту неприятных ощущений.

Очевидно, что этой технологии будет что предложить людям в будущем, когда начнется массовая установка имплантатов, способных подстраиваться под движения тела в отличие от стандартных имплантатов, которые встают криво и причиняют боль. Эти имплантаты помогут пациентам быстрее восстановиться и вернуться к привычной жизни.

Помимо имплантатов медицинские учреждения научились производить кастомные ортопедические устройства и наглядные пособия для предварительного проведения операции, которые помогут повысить качество лечения.

Также в прошлом году на медицинском рынке появилось несколько крупных игроков, которые внесли свою лепту в его развитие. Например, Stratasys, одна из крупнейших компаний в сфере 3D-печати, собрала группу ученых, которая сейчас занимается разработкой 3D-печатных решений для медицинских учреждений.

И последнее. В 2015 году было заключено немало взаимовыгодных соглашений. Например, бельгийская компания Materialise, известный разработчик программного обеспечения, заключила сотрудничество со многими организациями, в том числе Arcam, чтобы сократить сроки выполнения заказов и расходы на разработку новой продукции за счет внедрения программ во все процессы производства.

Здравоохранение развивается вместе с аддитивным производством

В конечном итоге в сфере медицины на аддитивные технологии стали возлагать большие надежды. Результат налицо: сегодня это одна из самых финансируемых областей исследований. В определенной степени это связано с влиянием сектора частного здравоохранения. Быстрое развитие технологии 3D-печати и неизменно высокий уровень спроса вынудили такие компании, как Siemens и Medtronics, вложить крупные суммы денег в научно-исследовательские работы, чтобы опередить других игроков на рынке.

Также у медицинской индустрии есть определенное экономическое преимущество перед другими сферами промышленности, когда речь заходит об инновациях. Возьмем, к примеру, железнодорожную и аэрокосмическую промышленность. Обе эти сферы связаны бюрократическими проволочками, правилами и требованиями местных органов власти. В частности, конструкция самолета должна отвечать нормам летной пригодности.

В медицине все по-другому. Здесь ученые всеми силами стараются раздвинуть границы невозможного в попытке повысить качество лечения. Разумеется, в этой сфере тоже есть свои требования к новой продукции. Например, в США каждый хирургический имплантат должен получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Уже было несколько случаев, когда оно предоставило разрешение на производство 3D-печатных имплантатов, в том числе 3D-печатных трахеальных шин, которые стали новой вехой в лечении респираторных заболеваний.

На данный момент существует три области медицины, в которых недавно начался заметный сдвиг благодаря применению аддитивных технологий:

  • Ортопедические устройства: с появлением аддитивного производства позвоночник, коленные и бедренные суставы, на которые оказывается наибольшая нагрузка и которые чаще всего требуют интенсивной терапии и даже замены, стали предметом для активных исследований. Есть надежда, что в будущем замена суставов 3D-печатными искусственными аналогами (которые в точности будут соответствовать оригиналу) станет обычным делом.
  • Протезы: протезы конечностей уже завоевали определенную популярность, однако на их изготовление уходит много времени, потому что все их детали нужно изготавливать по отдельности. Теперь с помощью 3D-печати можно одним махом изготовить целый протез, причем подогнать его под индивидуальные параметры пациента.
  • Биопечать: биопечать – это олицетворение одной из самых блестящих разработок человечества на сегодняшний день. Это будущее трансплантологии. Аддитивные технологии достигли такого уровня развития, что до искусственного изготовления тканей и органов рукой подать. По крайней мере, так говорят многие исследователи и ученые.

Каким будет следующий шаг аддитивного производства в сфере здравоохранения?

Хирургия – одна из самых сложных и требовательных отраслей медицины, и аддитивное производство не в силах изменить этого. Пусть робототехника смогла улучшить качество отдельных хирургических процедур, опытность хирурга по-прежнему остается на первом месте и будет оставаться там в обозримом будущем. Тем не менее, нельзя говорить, что аддитивное производство совсем ничего не может дать хирургии.

3D-печать – инструмент хирурга

Очевидно, что индивидуальные имплантаты будут встречаться в хирургии все чаще и чаще, ведь они идеально встают на место и не причиняют пациенту неудобств, что значительно сокращает потребность в повторных операциях.

Для начала необходимо оборудовать 3D-принтерами больницы и медицинские учреждения. Получив в свое распоряжение 3D-принтеры и научившись на них работать, хирурги смогут изготовить имплантат и установить его в кратчайшие сроки. Также применение аддитивной технологии поможет сократить стоимость операции. В странах, где не хватает специалистов, внедрение 3D-принтеров и проведение соответствующего инструктажа поможет хирургам спасти миллионы жизней.

Растущая доступность биосовместимых материалов

С появлением 3D-печатных имплантатов возросла потребность в биосовместимых материалах. К счастью, эта отрасль тоже очень сильно развилась за последние годы. Сегодня самым доступным материалом считается пластик, но имплантат из него не изготовишь: слишком он токсичный. Вот почему исследователи обратились к металлу, а на медицинском рынке начали появляться 3D-принтеры для печати металлами, по большей части благодаря стараниям таких крупных компаний из Германии и Швеции, как EOS, SLM и Arcam. С расширением ассортимента биосовместимых материалов растут и возможности имплантатов.

Окончание срока действия патентов и сокращение стоимости новаторских технологий

И напоследок поговорим о патентах. Большинство открытий в сфере аддитивных технологий защищено патентными законами. Тем не менее, в ближайшее время срок действия многих патентов подойдет к концу, и у производителей появится шанс бесплатно обновить свои разработки и даже придумать что-то новенькое.

Итак, что мы видим. Аддитивное производство уверенно захватывает разные сферы нашей жизни. Благодаря сокращению расходов на оборудование и развитию производства пластика в Китае в последнее время общая стоимость аддитивного производства резко сократилась. Это очень важный момент для разных отраслей промышленности, в частности медицинской, ведь теперь средства можно пустить на открытие и разработку новых технологий.

>Аддитивные технологии в машиностроении

История возникновения аддитивных технологий

В 1983 году технолог одной калифорнийской компании сделал очень важное изобретение. Компания занималась производством смолы с ультрафиолетовым отверждением. Технолог Чарльз Халл, работая с фотополимером, изобрел первый в мире 3d-принтер. Фотополимер – это вещество, которое под воздействием УФО-облучения переходит из жидкого состояния в твердое. Халл написал программу на компьютере и запрограммировал свой электролитный аппарат для накладывания несколько сотен слоев фотополимера в определенном порядке.

Первое, что Халл напечатал своим трехмерным принтером, был пластиковый стакан. Запатентовал Чарльз Халл свое изобретение в 1986 году. Эта дата и есть началом технологии, которую этот технолог назвал «технологией быстрого прототипирования». Это название включает в себя изготовление объемной физической модели без использования станков.

Замечание 1

3D-моделированием данный процесс назвали гораздо позже, в 1995 году. На данный момент термин «быстрое прототипирование» не используется, так как сейчас оно считается лишь частью аддитивных технологий.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Первыми заинтересованными клиентами стали автокомпании. Автомобилестроение всегда интересовалось любыми технологиями, которые могут ускорить, упростить, улучшить процесс изготовления деталей. Специально для машиностроения был разработан метод Quik Cast, при помощи которого удавалось быстро отливать из различных сплавов нужные детали, и времени на это уходило считанные дни. Так как другими методами изготовление одной детали занимало недели, а то и месяцы.

Канадец Джим Корр на протяжении 15 лет уже пользуется этим изобретением, делая все больше деталей к автомобилям. На сегодняшний день он уже имеет целый автомобиль Urbee, детали которого выращены с помощью трехмерной печати.

Определение 1

Термин «аддитивные технологии» произошел от слова «аддитивный», то есть тот, который получается путем прибавления. Это название обозначает строительство физического объекта (или детали) путем послойного прибавления и синтезирования, используя при этом компьютерные 3d-технологии, и исключая всякие чертежи. Этот процесс есть противоположным механообработке.

До принятия классификации аддитивных технологий их разделяли по таких различиях:

  • методы формирования слоев;
  • способы фиксации;
  • способы подведения энергии для фиксирования;
  • по применяемым стройматериалам;
  • по технологиям лазерным, или не лазерным.

Определение 2

Механообработка – это механическое удаление (вычитание) из детали лишнего материала. В аддитивных технологиях пользуются «прибавлением», отходов нет или они совсем незначительные, что является большим плюсом.

Технология «методы формирование слоя» делится на два вида: Bed Deposition и Direct Deposition. Рассмотрим каждую в отдельности.

Осаждение на рабочую поверхность (Bed Deposition). На платформу (Bed) насыпается слой строительного порошка, разравнивается ножом или роликом. Определяется нужная толщина. Затем стройпорошок в нужных местах по сечению детали обрабатывается лазером. При этом сплавляются или склеиваются частички порошкового материала, что поддавались лазерной обработке, а остальная часть порошка остается не тронутой. После такого селекционного отверждения рабочая поверхность «Bed» передвигается на установленную величину шага строения вертикально. Все это повторяется до окончания строения детали.

Прямое осаждение (Direct Deposition). Иными словами, это значит, что энергия направляется и осаждается материал в конкретные точки, на место изготовления детали. В этом методе нет платформы «Bed», куда насыпается порошок, а строительный материал подается непосредственно в то место, где строится деталь и куда подается энергия для отверждения.

Разделение аддитивных технологий

Существует американская международная организация, которая занимается разработкой и изданием добровольных стандартов (American Society for Testing and Materials). Она разделила Аддитивные технологии на семь категорий:

  1. Экструзия материала (Material Extrusion). Через экструдер выдавливается строительный материал и послойно наносится на деталь, которая изготавливается.
  2. Разбрызгивание материала (Material Jetting). Строительный материал разбрызгивается послойно на деталь или наносится струйкой.
  3. Разбрызгивание связующего (Binder Jetting). Уже не стройматериал, а связующий материал разбрызгивается или послойно наносится струйкой.
  4. Листовое ламинирование (Sheet Lamination). Листовые строительные материалы послойно наносятся на изделие.
  5. Фотополимеризация в ванной (Vat Photopolymerization). В емкости послойно отверждаются фотополимеризуемые смолы.
  6. Сплавление порошка (Powder Bed Fusion). Сначала формируется слой, затем в нем расплавляется или спекается материал, используемый для построения.
  7. Осаждение направленной энергией (Directed Energy Deposition). Стройматериал подается прямо в то место, куда идет подача энергии.

К категории Material Extrusion относятся две технологии: MJS и FDM.

  • MJS (Multiphase Jet Solidification). Экструдер, что подогревается, подает смесь для строения, состоящую из пластификатора и металлического порошка в пастообразном виде на место изготовления детали. Затем сырую «green» — модель для выпекания размещают в печи.
  • FDM (Fused Deposition Modeling). К экструдеру подводится полимерная нить, она расплавляется и ложится на место сечения будущей модели.

Material Jetting также имеет две технологии. В обеих технологиях используются по два материала. Один для построения изделия, другой для поддержки нависающих частей. Как строительный материал используется фотополимерная смола, а как поддерживающий материал — полимер, что смывается горячей водой после окончания строения детали. Различие в том, что в одном методе еще используют фрезерную головку принтера для механической обработки модели, для удаления излишков моделирующих и поддерживающих материалов.

Обе технологии чаще используются в стоматологии и в ювелирном производстве, где используют восковые модели будущих изделий.

  1. Binder Jetting есть струйной технологией. На рабочую поверхность впрыскивается связующий реагент вместо строительного материала. Так получаются синтез-формы из песка или литейные модели.
  2. Sheet Lamination. Для построения изделия берется фольга, бумага либо полимерная пленка. Пласты свариваются ультразвуком, излишки удаляются фрезой.
  3. Vat Photopolymerization. В качестве стройматериала используются полимерные жидкие смолы.
  4. Powder Bed Fusion. Для производства применяются тепловые элементы: ТЭН, лазер, электронные лучи.
  5. Directed Energy Deposition. Предполагается одновременное использование стройматериала и тепловой энергии.

Развитие аддитивных технологий

Замечание 2

С каждым годом употребление АМ-технологий увеличивается в геометрической прогрессии. В машиностроении «выращивание» деталей из металла стало очень популярным. Такие детали отличаются легкостью, прочностью. Еще одной немаловажной положительной чертой является скорость изготовления. Поэтому они становятся все больше востребованными. Объемы потребления таких изделий возрастают.

Создаются новые модели принтеров, которые перестают быть роскошью, а становятся необходимостью, тем более они все время удешевляются. Трехмерные принтеры уже могут себе позволить приобрести не только производства, но и любители для дома. Принялось решение разделить терминологию. И теперь, если говорят о 3d-принтерах, значит это «любительские», а если звучит АМ (Additive Manufacturing), то речь идет о профессиональных индустриальных аппаратах.

Стоимость таких агрегатов разная. Цена зависит от многих факторов, например, берется во внимание производительность, точность и способность создать маленькие фрагменты изделия, стоимость стройматериалов, квалификационные требования для обслуживания аппарата и многие другие критерии.

Аддитивные технологии совершенствуются изо дня в день, выходят на новые уровни, позволяющие «выращивать» все более сложные изделия точнее, быстрее, дешевле.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *